Страница 13 из 43
В РОЛИ МАГНИТА
Мы поставили себе целью… начать с общеизвестных каменных и железных магнитов, магнитных тел и наиболее близких к нам частей Земли, которые можно ощупывать руками и воспринимать чувствами; затем продолжить это при помощи наглядных опытов с магнитами и, таким образом, впервые проникнуть во внутренне части Земли.
Магнитное поле Земли
Трудно сказать, кто первый изобрел компас. Если верить китайским легендам, еще 4000 лет назад император Хуанг-Ти пользовался повозкой, на которой была установлена фигурка китайца с вытянутой вперед рукой. Эта фигурка с запрятанным внутри магнитом была одним из древнейших компасов: свободно вращаясь вокруг вертикальной оси, она указывала направление на север.
Само слово «магнит», по-видимому, произошло от названия местности (холмы магнезии в Малой Азии), где добывали железную руду. Естественный магнит — это черный с коричневатым оттенком минерал магнетит, называемый иначе магнитным железняком. Иногда он встречается в виде залежей, чаще присутствует в изверженных породах — базальте, диабазе, граните. Знаменитая гора Магнитная на Южном Урале состоит из магнетита.
Магнетит содержит около 70 % железа. Если к магнетиту прикоснуться чистым железом, то он становится намагниченным. Подобным способом можно изготовить стрелки компасов и другие магниты.
На уроках физики в школе употребляют линейные магниты. Это полоска железа, имеющая два магнитных полюса, условно называемых северным и южным. Одну половину магнита, ту, где находится северный полюс, окрашивают в синий цвет, другую половину — в красный. Если такой магнит покрыть бумагой, а на бумагу посыпать мелкие железные опилки, они намагнитясь, расположатся вдоль силовых линий магнитного поля. Так выглядит магнитное поле линейного магнита с двумя полюсами, называемого иначе диполем.
Земля — исполинский «шаровой» магнит. В первом приближении магнитное поле Земли равноценно магнитному полю линейного магнита, ось которого наклонена к оси вращения Земли под углом 12°. Любопытно, что ось этого воображаемого линейного магнита (она называется магнитной осью Земли) не проходит через центр Земли, а смещена по отношению к нему на 400 км (в сторону Тихого океана). Точки, в которых магнитная ось пересекает земную поверхность, называются геомагнитными полюсами.
Не следует путать идеализированные магнитные полюса Земли с реальными магнитными полюсами. Последние определяются как точки, в которых стрелка компаса занимает вертикальное положение. Один из них находится в Канадском архипелаге, противоположный— в Антарктиде. То, что реальное магнитное поле Земли отличается от ее теоретического магнитного поля, вызвано не только местными магнитными аномалиями, т. е. искажениями геомагнитного поля теми магнитными полями, которые создаются залежами магнитных пород. Есть и причины космического характера.
Земной шар постоянно «обдувается» «солнечным ветром», т. е. потоками выброшенных Солнцем корпускул (электронов, протонов и ядер атомов других, более тяжелых, чем водород, элементов). «Солнечный ветер» — это электропроводящая плазма или в целом электрически нейтральная смесь положительно и отрицательно заряженных частиц. Она всегда переносит с собой слабое (напряженностью 0,8·10-3 А/м) магнитное поле. Хотя магнитное поле Земли имеет значительно большую напряженность (около 40 А/м), под воздействием «солнечного ветра» оно заметно искажается и на больших расстояниях от Земли приобретает вид, изображенный на рис. 18.
Рис. 18. Магнитосфера Земли. Числа указывают расстояния в радиусах Земли. Заштрихованы радиационные пояса.
Уточним некоторые детали этой картины.
Пространство, в котором напряженность магнитного поля Земли не уступает напряженности межпланетного магнитного поля (0,8·10-7 А/м), называется магнитосферой. В наиболее удаленных частях граница магнитосферы проходит на расстоянии 10–15 земных радиусов от центра Земли. Со стороны, обращенной к Солнцу, магнитосфера сжата магнитным давлением «солнечного ветра». С противоположной стороны ее силовые линии разомкнуты и образуют так называемый магнитный хвост Земли. Внутри этого хвоста обнаружен нейтральный слой, где напряженность магнитного поля близка к нулю.
Вся эта картина весьма изменчива во времени. Когда Солнце активно и его поверхность усеяна пятнами, в атмосфере Солнца часто происходят взрывы, именуемые солнечными вспышками. При этом Солнце «выстреливает» в межпланетное пространство облака корпускул — корпускулярные потоки. Они более плотны и более намагничены (до 0,8·10-3 А/м), чем «солнечный ветер». Когда облака корпускул долетают до Земли, магнитосфера «будоражится» ими, и происходят заметные возмущения магнитного поля Земли — так называемые магнитные бури. В такие периоды стрелки компасов быстро колеблются, и их показания становятся неточными.
Однако и тогда, когда Солнце спокойно, магнитное поле Земли не остается неизменным. Ультрафиолетовые лучи Солнца ионизируют верхние слои атмосферы (ионосферу), причем днем ионов там гораздо больше, чем ночью. По действием солнечных и лунных приливов ионосферные слои непрерывно движутся в магнитном поле Земли, и в них индуцируются, как в роторе динамо-машины, свои ионосферные токи, изменяющие магнитное поле Земли и заставляющие стрелки компасов хотя и незначительно, но беспрерывно колебаться. Наконец, существуют очень медленные, но тем не менее непрерывно продолжающиеся вековые изменения земного магнитного поля.
Согласитесь, что Земля по своим магнитным свойствам мало напоминает школьный постоянный магнит.
Земные недра и магнитные аномалии
Для главной темы этой книги — знакомство с земными недрами — особенно интересны местные земные магнитные аномалии. В зависимости от масштабов их делят на локальные, региональные и мировые. Первые имеют в поперечнике всего несколько километров, вторые — десятки и сотни километров, а третьи — тысячи километров. Во всех этих аномалиях магнитное поле необычно велико и его напряженность (по вертикали) достигает 1–2 эрстед.
Причина локальных аномалий — присутствие в данном районе больших залежей намагниченных пород. Самые заметные магнитные аномалии порождаются железными рудами, менее значительные— изверженными (базальты, диабазы) и метаморфическими (железистые кварциты) породами. Что касается мировых и крупных региональных магнитный аномалий, то их существование связано, по- видимому, с физическими особенностями глубоких слоев земной коры и даже верхней мантии. В последнем случае изучение аномалий особенно перспективно — ведь самая глубокая буровая скважина прошла более 11 км, тогда как при детальном изучении земного магнетизма можно узнать о свойствах вещества, находящегося на гораздо больших глубинах. Лишь на глубине 40—100 км температура становится такой высокой, что о намагничивании земных пород не может быть и речи.
Магнитные карты Земли, на которых изображены кривые равной напряженности, по существу напоминают рентгенограмму нашей планеты. Вся территория Советского Союза покрыта аэромагнитной съемкой, причем среднее расстояние между маршрутами полетов не превышает нескольких километров. Все, даже небольшие аномалии на этой карте должны получить объяснение и помочь разведке полезных ископаемых. В сущности, глубинная «магнитная разведка» преследует три цели: региональное изучение глубинного строения Земли, прослеживание различных структур в кристаллическом фундаменте земной коры и, наконец, поиски железорудных месторождений.
На общей магнитной карте Земли выделяются три мировые аномалии — одна в Канаде, вторая в Антарктиде, третья в нашей стране, между Енисеем и Леной. Происхождение их пока не совсем ясно, но зато в других случаях «холмы» магнитной карты привели к открытию мощных залежей очень полезных для промышленности пород. Классический пример — Курская магнитная аномалия (КМА), огромная кладовая железа, разработке которой В. И. Ленин уделял исключительное внимание. Открытие Курской аномалии В. В. Маяковский приветствовал стихами: